通过掺入碱金属实现晶体ZnO薄膜晶体管中的阈值电压工程

《ACS Applied Electronic Materials》：Threshold Voltage Engineering in Crystalline ZnO Thin-Film Transistors via Alkali Metal Incorporation

ZnO薄膜晶体管通过碱金属掺杂调控阈值电压，带隙3.16-3.25 eV，XRD显示晶粒尺寸15.93-36.25 nm，XPS表明O 1s峰中M-O键占比提升至71.38%。应变工程与掺杂协同作用使饱和迁移率增至23.45 cm2/V·s，阈值电压正移至2.98 V，亚阈值摆幅优化至200 mV/dec。原子模型揭示大离子掺杂诱导负阈值偏移，为柔性电子器件提供新思路。

　　

我们报道了一种通过喷雾热解法制备的掺杂碱金属（Li、Na、K、Rb和Cs）的ZnO薄膜晶体管（TFT），这些碱金属的掺杂用于调节阈值电压（V_TH），同时保持晶格的应变不变。碱金属掺杂剂的原子半径不同，会改变ZnO晶格中的应变，从而显著影响其电子和结构性能。该材料的光学带隙范围为3.16至3.25 eV，浅施主态增强了近带边（NBE）区域和约400纳米处的紫外（UV）发射。尽管带隙基本保持不变，但由于应变效应，带结构仍发生轻微变化。碱金属掺杂还会影响光致发光：较大的离子通过缺陷复合增加了可见光发射，而Li掺杂则提高了晶体纯度并增强了紫外发射。X射线衍射（XRD）结果显示，峰强度、晶粒尺寸（15.93–36.25纳米）和表面粗糙度（0.58–1.95纳米）均发生了变化。O 1s峰的X射线光电子能谱（XPS）分析表明，M–O键的数量增加了（从60.19%增加到71.38%），而与氧相关的缺陷减少了（从39.81%减少到28.62%）。这些结构变化提升了器件的电性能，饱和迁移率从12.30 cm²/V·s提高到了23.45 cm²/V·s，V_TH从1.79 V升高到了2.98 V，亚阈值摆幅从290 mV/dec降低到了200 mV/dec。我们提出了一个原子模型来解释应变分布，发现较大的碱金属离子会导致更大的应变和类似施主的态，从而导致V_TH的负向变化。这些结果凸显了碱金属掺杂在优化柔性透明电子器件中的ZnO TFT方面的潜力。